När en lösning avdunstar, de upplösta kemikalierna koncentreras tills de börjar bilda en kristall genom en process som kallas kärnbildning. Industrier som använder små kristaller i läkemedel, mat och mikroelektronik försöker förstå denna kärnbildningshändelse. Forskare som studerar kärnbildning använder ofta mikroskopiska droppar som miniatyrförsök som kan köras snabbt, parallellt, och i ett litet utrymme. Dock, dessa experiment kräver bilder med hög upplösning, begränsa antalet droppbilder som kan bearbetas samtidigt.

Forskare övervann nyligen denna upplösningsutmaning genom att fokusera sina mätningar på kontrasten mellan droppar och deras omgivande medium. Denna teknik, publicerad denna vecka i AIP Advances , ger den mest exakta och effektiva metoden för att detektera kristallkärnbildning hittills.

Kristallkärnbildning är en i sig stokastisk process, och för att uppskatta varje kärnbildningstid krävs tillväxtmodeller som fungerar bakåt från den tidpunkt då kristallen växte till en detekterbar storlek. Detta tidsmässiga gap kan sträcka sig från flera minuter till timmar.

"Det är som att säga när någon blev gravid när barnet är ute, sa Romain Grossier, författare till artikeln vid French National Center for Scientific Research och Aix-Marseille University. "Vi upptäcker graviditetens ögonblick."

För att bestämma den tid det tar för en kristall att kärnbilda i en mikrodroppe, teamet skapade ett rutnät av identiska saltvattenmikrodroppar täckta av ett tunt lager olja. Vatten är lätt lösligt i olja vid dessa förhållanden, så vattnet började sprida sig i omgivningen, efterlikna avdunstningsprocessen.

Forskarna konverterade bilden av varje droppe och dess omgivande region till en skalär, standardavvikelsen för pixlarnas gråhet, och spårade detta värde när det ändrades. När kristallen äntligen bildas, dess närvaro hindrar den smidiga utvecklingen av brytningsindex, som framstår som ett plötsligt hopp i gråhetsnivån. Detta gör det möjligt för forskarna att noggrant mäta tiden till kärnbildning utan att lösa upp kristallen eller göra antaganden om kärnbildningsmekanismerna. Intressant, höga saltkoncentrationer i mikrodropparna orsakar explosiv tillväxt, minska fördröjningen mellan kärnbildning och detektion till 0,5 sekunder eller mindre.

Varje droppe försvinner också under en kort period när dess brytningsindex sammanfaller med det omgivande mediet. Detta sker alltid med samma koncentration för ett givet system, och kan beräknas i förväg. Forskarna vill utveckla en modell för koncentrationen mellan när droppen försvinner och kärnbildningstiden som kan göra det möjligt för dem att lösa konkurrerande teorier om kristallkärnbildning i framtiden.

Teamet blev förvånad över att upptäcka att mikrodroppar inte alltid var oberoende av varandra, som tidigare antagits. Ibland fördröjde kärnbildning i en mikrodroppe kärnbildning i dess grannar eftersom det ökade utflödet av vatten från den första droppen tillfälligt spädde ut de andra. Teamet planerar att öka mikrodropparnas oberoende i framtida experiment.